ГЛАВА ВОСЬМАЯ
КОМПОЗИЦИИ МЕТАЛЛ—МЕТАЛЛ
8-1. КОМПОЗИЦИИ, СОДЕРЖАЩИЕ ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ
Вольфрам, молибден и рений практически не сплавляются с медью или серебром, поэтому композиции из этих металлов изготовляются или из смеси порошков по обычной металлокерамической технологии, или путем пропитки пористой заготовки (скелета) из тугоплавкого металла медью или серебром.
На некоторых свойствах композиций сильно отражается метод изготовления: спекание порошков, последующая обработка допрессованием или ковкой, прокаткой и т. д. Как уже указывалось, на свойства композиций влияют также тонкость микроструктуры, распределение структурных элементов композиций, наличие примесей. Все это ведет к значительному разбросу свойств у композиций одинакового элементарного состава, но разного происхождения.
Это иллюстрируется на диаграммах свойств композиций медь—вольфрам (рис. 8-1), а также серебро—вольфрам и серебро—молибден.
На диаграммах нанесены точки, соответствующие данным разных источников. Наименьший разброс имеется по плотности, наибольший — по твердости.
Рис. 8-1. Свойства композиций медь—вольфрам (по данным разных источников).
Черные кружки — удельное электрическое сопротивление, светлые кружки — плотность, крестики — твердость по Бринеллю. Линии показывают примерный средний уровень свойств.
Рис. 8-2. Дуговая эрозия композиций разного состава (Вильсон) (см3/ка-сек).
1 — серебро—вольфрам; 2 — серебро—карбид вольфрама; 3 — серебро—молибден; 4 — медь— вольфрам.
Рис. 8-3. Свариваемость током неподвижных контактов из разных материалов (Блум).
1 — медь; 2 — медь—вольфрам 33/67; 3 — медь—вольфрам 40/60; 4 — медь— вольфрам 60/40; 5 — серебро—никель 70/30; 6 — серебро—никель 80/20; 7 — серебро—окись кадмия 88/12; 8 — серебро—окись кадмия 97/3.
Ввиду большого разброса в величинах свойств на диаграммах приведены кривые, лишь приблизительно показывающие средний уровень свойств композиций.
Износоустойчивость композиций медь — вольфрам значительно выше, чем меди (рис. 8-2). Свариваемость этих композиций по сравнению с медью мала, что видно на рис. 8-3 [Л. 8-1]. Ток, при котором происходит сваривание контактов, растет с увеличением контактного усилия, что наблюдается и у других материалов.
Медно-вольфрамовые композиции окисляются па воздухе и образуют сернистые пленки. При работе с дугой контактное сопротивление у медно-вольфрамовых композиций сильно растет (табл. 8-1).
Было установлено [Л. 3-5], что при работе контактов из медно-вольфрамовой композиции (50/50) с дугой и цепи постоянного тока при 4 о, 36 в и частоте замыканий 100 в секунду через 104 включений контакт полностью нарушался. На контактных поверхностях образовывалась стекловидная пленка.
На диаграммах нанесены точки, соответствующие данным разных источников. Наименьший разброс имеется по плотности, наибольший — по твердости.
Рис. 8-1. Свойства композиций медь—вольфрам (по данным разных источников).
Черные кружки — удельное электрическое сопротивление, светлые кружки - плотность, крестики — твердость по Бринеллю. Линии показывают примерный средний уровень свойств.
Рис. 8-2. Дуговая эрозия композиций разного состава (Вильсон) (см3/ка·сек).
1 — медь; 2 — медь—вольфрам 33/07; 8 — медь — вольфрам 40/60; 4 — медь— вольфрам 60/40; 5 — серебро—никель 70/30; 6 — серебро — никель 60/20; 7 — серебро—окись кадмия 88/12; 8 — серебро—окись кадмия 97/3.
Рис. 8-3. Свариваемость током неподвижных контактов из разных материалов (Блум).
1 — серебро—вольфрам; 2 — серебро—карбид вольфрама; 3 — серебро—молибден; 4 — медь— вольфрам.
Ввиду большого разброса в величинах свойств на диаграммах приведены кривые, лишь приблизительно показывающие средний уровень свойств композиции.
Износоустойчивость композиций медь—вольфрам значительно выше, чем меди (рис. 8-2). Свариваемость этих композиции по сравнению с медью мала, что видно на рис. 8-3 [Л. 8-1]. Ток, при котором происходит сваривание контактов, растет с увеличением контактного усилия, что наблюдается и у других материалов.
Медно-вольфрамовые композиции окисляются на воздухе и образуют сернистые пленки. При работе с дугой контактное сопротивление у медно-вольфрамовых композиций сильно растет (табл. 8-1).
Было установлено [Л. 3-5], что при работе контактов из медно-вольфрамовой композиции (50/50) с дугой и цепи постоянного тока при 4 а, 36 в и частоте замыканий 100 в секунду через 104 включений контакт полностью нарушался. На контактных поверхностях образовывалась стекловидная пленка.
Таблица 8-1
Контактное сопротивление при работе с дугой (Л. 8-2)
1 Постоянный ток 20 а, 259 я, частота включений 60 в минуту, контактное усилие 1 кГ, общее число включений 20 009.
2 Переменный ток 50 а, 440 в, частота включений 60 в час. Контактное усилие 2 кГ, общее число включений 50 000.
Дальнейшее исследование показало, что при наличии смеси окислов меди и вольфрама при температурах выше 500° С происходит реакция образования вольфрамата меди
Температура плавления вольфрама га меди 970° С, но в смеси с СuО и WO3 он образует эвтектики, плавящиеся при 830 и 910° С. Образование легкоплавких смесей в виде стекловидной изолирующей пленки и вызывает нарушение контакта, отмеченное выше. Аналогичные процессы образования изолирующих пленок были установлены также на композициях серебро—вольфрам и серебро—молибден.
Композиции серебро—никель ведут себя иначе (см. далее).
Композиции, содержащие до 40% W, изготовляются прессованием смеси порошков, а при более высоком содержании вольфрама применяется пропитка вольфрамового скелета расплавленной медью.
Для облегчения пайки контакты с высоким содержанием вольфрама делаются с медным подслоем (рис. 8-4).
Вследствие окисления медно-вольфрамовые композиции применяются для работы в масле при высоком контактном давлении главным образом в качестве дуговых контактов масляных выключателей. Эти композиции непластичны и применяются в виде облицовки.
Рис. 8-4. Микроструктура композиции медь — вольфрам Х 3 000 (Хант).
Надо отметить, что по данным испытания [Л 8-3] контактов из электролитической меди, композиций медь—вольфрам, изготовленных спеканием и пропиткой. серебро—вольфрам, серебро — никель и серебро— окись кадмия при 60 а, 220 в и cosφ=1 в масле наибольшую стойкость к обгару показали почти в одинаковой степени медь и медно-вольфрамовая композиция 67/33. Авторы пришли к выводу, что применять композиции вместо меди в указанных условиях работы нецелесообразно, если стремиться к уменьшению обгара контактов. Композиции могут дать преимущество против меди в отношении сваривания контактов и, возможно, других, еще подлежащих выяснению свойств.
Композиции серебро—вольфрам в зависимости от содержания вольфрама меняют свойства аналогично композициям медь—вольфрам, но электро- и теплопроводность у них выше (рис. 8-5).
Рис. 8-5. Свойства композиций серебро—вольфрам (по данным разных источников).
Черные кружки — удельное электросопротивление, светлые кружки — плотность. крестики — твердость по Бринеллю. Линии покалывают примерный средний уровень свойств
По данным [Л. 8-4] минимальное напряжение дуги у этих композиций имеет величину, лежащую между соответствующими величинами у серебра и вольфрама, а минимальный ток менее явно выражен, но лежит ближе к серебру.
Эрозия композиций серебро—вольфрам резко уменьшается с содержанием вольфрама выше 30% (рис. 8-2),
Серебряно-вольфрамовые композиции на воздухе окисляются меньше, чем медно-вольфрамовые. но образуют сернистые пленки. При работе с дугой они сильно повышают контактное сопротивление вследствие образования стекловидной пленки по реакции
2Ag + W + 2Oa=Ag2WО4.
При недостатке кислорода серебро окисляется за счет трехокиси вольфрама:
2Ag + 4WO3=Ag2WO4 + W3O3.
Летучесть W3O6 способствует протеканию этой реакции.
Вольфрамат серебра легкоплавок (температура плавления 600°С), вследствие чего на контактной поверхности он образует стекловидную пленку.
А. Кейль [Л. 8-5] методом вихревых токов определял электропроводность композиций при прокаливании на воздухе при разных температурах. Некоторые из полученных результатов даны в табл. 8-2.
Таблица 8-2
Изменение электропроводности композиций при прокаливании
Композиция серебро—вольфрам резко понизила свою электропроводность после прокаливания при 500о С. Это, очевидно, связано с образованием между зернами композиции изолирующих пленок вольфрамата серебра по реакции, описанной выше.
Рис. 8-6. Микроструктура композиции серебро—вольфрам 20/80X450 (Мелашенко).
Таким образом, серебряно-вольфрамовые композиции чувствительны к воздействию дуги в присутствии кислорода воздуха и потому более пригодны для работы в защитной среде или в воздухе при контактных давлениях, обеспечивающих разрушение пленок при замыкании.
Технология изготовления контактов из серебряно- вольфрамовых композиций такая же, как и медно-вольфрамовых. Методом пропитки изготовляются композиции, содержащие более 65% W (50% по объему) (рис. 8-6).
При малом содержании вольфрама композиции серебро—вольфрам достаточно пластичны и легко поддаются механической обработке; при высоком содержании вольфрама композиции непластичны и применяются в виде облицовки как в низковольтной аппаратуре, так и в дуговых контактах мощных воздушных выключателей.
Рис. 8-7. Свойства композиций серебро—молибден (по данным разных источников).
Черные кружки — удельное электросопротивление, светлые кружки — плотность, крестики — твердость по Бринеллю. Линии покатывают примерный средний уровень свойств.
Рис. 8-8. Микроструктура композиции серебро—молибден 40/60X450 (Мелашенко).
Композиции серебро — молибден.
Свойства этих композиций меняются с содержанием молибдена аналогично композициям, содержащим вольфрам (рис. 8-7). Твердость, механическая прочность и удельное сопротивление с содержанием молибдена растут, по при одинаковом составе с серебряно-вольфрамовыми они имеют более низкие значения.
Плотность от содержания молибдена почти не зависит, так как плотности серебра и молибдена почти одинаковы.
Ток приваривания у серебряно-молибденовых композиций почти вдвое меньше, чем у серебряно-вольфрамовых одинакового состава. Эрозия у них, по данным Вилсона, дает минимум при 50—80% Мо (рис. 8-2). В упомянутых опытах Кейля (табл. 8-2) серебряно-молибденовая композиция показала падение проводимости около 700°С. Это также связано с образованием изолирующей пленки молибдата серебра, которое было установлено при исследовании контактного сопротивления у композиций серебро—молибден при работе контактов с дугой. Контакты из композиций серебро—молибден готовятся как из смесей порошков, так и пропиткой. Так как смачиваемость молибдена серебром плохая, для улучшения смачиваемости зерна порошка молибдена предварительно плакируют тонким слоем меди или никеля (рис. 8-8).
Композиции серебро—рений.
Сведений о практическом применении таких композиций не имеется, но есть некоторые данные по изучению их свойств.
Рений с серебром или медью не сплавляется, однако он хорошо смачивается этими металлами. Было показано, что пористые рениевые прессовки хороню пропитываются серебром и медью [Л. 7-10].
Исследование, проведенное Кейлем (табл. 8-2), показало, что электропроводность композиции серебро—
рений непрерывно увеличивается с ростом температуры прокаливания. Это автором объясняется проводимостью низших окислов рения при более низких и улетучиванием окислов при более высоких температурах. Следовательно, на серебряно-рениевых композициях не образуется изолирующих пленок, подобных тем, которые образуются на композициях серебро—вольфрам и серебро—молибден.
Испытание контактов из композиций с 80—92% рения при переменном, токе 50—300 а, 60 в показало отсутствие приваривания контактов и нарушения проводимости, хотя контакты сильно окислялись и подвергались разбрызгиванию.
